水电站压力管道布置设计

水电站压力管

课

程

设

计

学院：水利学院

专业：水利水电工程

科目：水电站

课题：水电站压力管道课程设计姓名：

学号： 313174

云南农业大学水利学院2017年12月

设计说明

压力管道的设计步骤一般包括：（1）压力管功能布置；（2）压力管固定方法、设计；（3）压力管应力分析、计算；（4）压力管强度校核；（5）压力管抗外压稳定计算。

一、基本资料及参数

1、最大发电流量；

2、上游正常水位1000m；

3、下游设计尾水水位850m；

4、管轴线与水平线夹角；

5、上游正常水位至伸缩节水位差7m；

6、镇墩与地基摩擦系数；

7、支墩与管身摩擦系数；

8、伸缩节摩擦系数；

9.水轮机调节时间。

二、压力管功能及布置

功能：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。

布置：采用明钢管敷设。

布置时要尽可能选择短而直的线路，明钢管敷设在陡峭的山坡上；尽量选择良好的地质条件，明钢管敷设在坚固而稳定的山坡上，支墩和镇墩尽量设在坚固的岩基上，并清除表面覆盖层；尽量减少管道的起伏波折，避免出现反坡，利于管道排空，明钢管底部应高出地表至少0.6米，以便安装和检修；避开可能发生山崩或滑坡的区，明钢管尽量沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷中，若明钢管之上有坠石或可能崩塌的峭壁，要事先清除；首部设事故闸门，并考虑设置事故排水和防冲设施。

三、明钢管的固定、设计

1.明钢管的敷设

明钢管敷设在一系列支墩上，底部应高出地表0.65米。

明钢管宜做成分段式，在首尾设镇墩，两镇墩之间设伸缩节。伸缩节布置在管段的上端，靠近上镇墩处。敷设方式如图：

2.明钢管的设计

（1）管径的确定

采用经验公式——彭德舒公式来初步确定压力钢管的经济直径：

式中：为钢管的最大设计流量，；H为设计水头，m。

由基本资料得：

所以

压力钢管直径进制采用D=50mm为模,所以取D=2.05m。

（2）管长确定

上游正常水位1000m，闸门进口水位为993m，上游正常水位至伸缩节水位差7m，下游设计为水位850m。

取进口直管段长5m，出口直管段长5m。

斜管段垂直距离为993-850=143m，管轴线与水平线夹角。所以斜管段长

所以，压力管道总长为

四、压力管水击计算

1.直接与间接水击的判断

明钢管水锤波速可近似的取为1000m/s，已知水轮机调节时间

。

所以

水轮机开度的调节时间，故为间接水击。

2. 第一项水击与极限水击判断

为起始开度，当电站满负荷运行时，；当电站以部分负荷运行时

。为水锤常数。当时发生第一相末水锤，为第一相水击，除第一相水击以外的各种水锤现象统统归入极限水击一类。

当电站满负荷运行时，所以为极限水击。

3.水击公式选择

阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率：

水锤的最大值：

所以

4.水击常数的计算

5.动水头计算

水头变化令也称水锤压强，令

所以

即满负荷运行时，水电站压力管道的总水头为177.9m。

五、压力管应力分析及结构设计

1.明钢管的荷载

根据应用条件，明钢管的设计荷载有：（1）内水压力；（2）钢管自重；（3）温度变化引起的力；（4）镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力；（5）风荷载和雪荷载；（6）施工荷载；（7）地震荷载；（8）管道放空时通气设备造成的负压。

2.管壁厚度计算

管壁的厚度一般经结构分析确定。管壁的结构厚度取为计算厚的加2mm 的锈蚀裕度。考虑制造工艺、安装、运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于下式确定的数值，也不宜小于6mm。

初步确定管壁的计算厚度

计算时，该式未计入一些次要应力，用以确定管壁厚度时容许应力应降低。所以

满足要求。计算时取,2mm不能用于强度计算。

3.荷载组合选择（A1、2、5、7、8）（1）水管自重的轴向分力A1

查钢管的密度为785g/cm3:

（2）作用在阀门或堵头上的内水压力A2 （3）伸缩节变化处的内水压力A5

取填料厚度为22mm，所以

,为2.05m。

所以

（4）温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7

取伸缩节可调节长度b=15cm，已知伸缩节摩擦系数f=0.4。所以

（5）温度变化时水管与支墩的摩擦力A8

支墩与管身摩擦系数；；每米水重：

（6）总应力

4.计算断面（跨中断面1-1断面）

（1）切向（环向）应力的

管壁的切向应力主要由内水压力引起。对于倾斜的管道：

对于水电站压力管道，等号右端的第二项是次要的，只有当

时才有计入的必要（低水头大流量才有用，高水头的不考虑）。所以计算时不考虑第二项。

（2）径向应力

管壁内表面的径向应力等于该处的内水压强，即：

“-”表示压应力，“+”表示拉应力。管壁外表面径向应力为0，径向应力较小。

（3）轴向应力

跨中断面的轴向应力由两部分组成，即有水重和管重引起的轴向弯曲应力及各轴向力引起的应力。

对于支承在一系列支墩上的管道，其跨中弯矩M可按多跨连续梁求出。

轴向弯曲应力

式中：，，在管顶和管底，和，,最大

管道各轴向力其合力为，由此引起的轴向力为

跨中断面剪应力为0。

所以，轴向应力

六、压力管强度校核

钢管的工作处于三维应力状态，强度校核的方法是求出计算应力并与容许应力作比较，而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较。钢管的强度校核目前多采用第四强度理论，其强度条件为

式中：为焊缝系数，取0.900.95。由于、、一般较小，故可以简化为

第三强度理论

取，所以